西北农林科技大学理学院朱玮教授 有机化学教案 第一章 结构与性质.pdf

有机化学是研究有机化合物的来源有机化学是研究有机化合物的来源 制备制备 结构结构 性能性能 应用以及有关理论和方法学的科应用以及有关理论和方法学的科 学学 有机化学学科的发展有机化学学科的发展 揭示了构成物质世揭示了构成物质世 界的有机化合物分子中各原子间键合的本质以界的有机化合物分子中各原子间键合的本质以 及有机分子转化的规律并设计及有机分子转化的规律并设计 合成了具有特合成了具有特 定结构的有机分子 它又为材料科学定结构的有机分子 它又为材料科学 生命科生命科 学学 环境科学等相关学科的发展提供了理论环境科学等相关学科的发展提供了理论 技术和材料技术和材料 exit 性质性质 决定决定 反映反映 近代有机结构理论近代有机结构理论 是连接结构与性质的是连接结构与性质的 桥桥梁梁 结构结构 1 1 有机化学有机化学 一 有机化学的发展与展望一 有机化学的发展与展望 二 有机化学发展前沿和热点二 有机化学发展前沿和热点 三 学习要求及本学期课程安排三 学习要求及本学期课程安排 四 有机化合物的特性四 有机化合物的特性 五 有机化合物研究的程序五 有机化合物研究的程序 1 2 共价键与分子结构共价键与分子结构 一 原子轨道和核外电子排布一 原子轨道和核外电子排布 二 共价键理论二 共价键理论 三 共价键的键参数三 共价键的键参数 内容提要内容提要 1 3 分子间作用力与有机化合物的物理性质分子间作用力与有机化合物的物理性质 一 分子间作用力一 分子间作用力 二 分子间作用力与有机物的物理性质二 分子间作用力与有机物的物理性质 1 4 有机化合物的结构与性质有机化合物的结构与性质 一 同分异构现象一 同分异构现象 二 有机化合物的分类二 有机化合物的分类 三 有机反应试剂三 有机反应试剂 四 有机化学反应四 有机化学反应 五 有机化合物结构与性质的关系五 有机化合物结构与性质的关系 本章小结本章小结 内容提要内容提要 第一章第一章 结构与性质结构与性质 Structure and Property 衣衣衣服材料 衣服颜色衣服材料 衣服颜色 食食粮 油 蔬菜 水果 食品添加剂粮 油 蔬菜 水果 食品添加剂 住住家具 室内装饰 日用品 药物家具 室内装饰 日用品 药物 行行机动车内装饰 燃料机动车内装饰 燃料 1 1 有机化学有机化学 Organic Chemistry p1 一 有机化学的发展与展望一 有机化学的发展与展望 1 有机化学研究的对象有机化学研究的对象 导言导言生活与有机化合物生活与有机化合物 有机物的利用有机物的利用有机物的提取有机物的提取 有机物的合成有机物的合成 有机物的结构有机物的结构 近代有机化学的发展近代有机化学的发展 2 有机化学有机化学 发展历程的发展历程的 回顾回顾 提提取取 组组成成 生活力学说生活力学说 有机化学有机化学 合合成成 否定生活否定生活 力学说力学说 一维一维 二维二维 三维三维 量子量子 化学化学 机理机理 来自葡萄牙的来自葡萄牙的 传统酿酒方式传统酿酒方式 舍勒舍勒 模拟拉瓦锡实验室模拟拉瓦锡实验室 拉瓦锡拉瓦锡 韦勒韦勒 柏则里柏则里 李比希李比希 古柏尔古柏尔 凯库列的梦凯库列的梦 布特列洛夫布特列洛夫 凯库列凯库列 休克尔休克尔 英戈尔德英戈尔德 范霍夫范霍夫 勒贝尔勒贝尔 薛定谔薛定谔 借助于近代物理学的进借助于近代物理学的进 展展 有机化学得到长足的发有机化学得到长足的发 展展 不仅在实验室里分离和不仅在实验室里分离和 提取了一系列天然有机产物提取了一系列天然有机产物 而且还合成出一些自然界未而且还合成出一些自然界未 曾发现的化合物曾发现的化合物 并逐步兴并逐步兴 起了有机合成化学工业起了有机合成化学工业 尤尤 其以染料和制药工业最为突其以染料和制药工业最为突 出出 20世纪世纪30年代年代 随着石随着石 油等天然资源的开发和利用油等天然资源的开发和利用 世界进入了合成高分子材料世界进入了合成高分子材料 的新时代的新时代 水立方 外景水立方 外景 水立方 内景水立方 内景 水立方 膜材料 水立方 膜材料 ETFE 英国的 伊甸工程 园英国的 伊甸工程 园 目前目前 随着结构理论和化学反应理论以及随着结构理论和化学反应理论以及 计算机计算机 激光激光 磁共振和重组磁共振和重组DNA技术等新技技术等新技 术的发展术的发展 有机化学对分子水平的掌握日益得有机化学对分子水平的掌握日益得 心应手心应手 能够按照某种特定需要能够按照某种特定需要 在分子水平在分子水平 上设计结构和进行制备上设计结构和进行制备 并由此形成了化学发并由此形成了化学发 展的一个新方向展的一个新方向 分子工程学分子工程学 科学院院士邢其毅科学院院士邢其毅 领导下的合成牛胰领导下的合成牛胰 岛素小组成员岛素小组成员 3 21世纪有机化学的展望世纪有机化学的展望 1 走出纯化学 进入大科学走出纯化学 进入大科学当生物化学当生物化学 和药物化学彻底脱离有机化学后 化学家则把和药物化学彻底脱离有机化学后 化学家则把 兴趣更多地转向获得结构奇特或昙花一现的分兴趣更多地转向获得结构奇特或昙花一现的分 子 较少象生物学家那样发挥想象力 探索其子 较少象生物学家那样发挥想象力 探索其 有时是捉摸不定的功能 随着有时是捉摸不定的功能 随着20世纪的过去 世纪的过去 化学知识和化学生产的普及和发展 数学 物化学知识和化学生产的普及和发展 数学 物 理的进展 一些在此基础上综合发展起来的大理的进展 一些在此基础上综合发展起来的大 科学开始显现出它们重要的地位 而这些大科科学开始显现出它们重要的地位 而这些大科 学的发展 又反过来对化学提出了新的挑战和学的发展 又反过来对化学提出了新的挑战和 发展方向 发展方向 尤其是与信息时代相关的尤其是与信息时代相关的功能材料功能材料以及当以及当 前可能更受人们重视的前可能更受人们重视的生命科学生命科学 都面临着众都面临着众 多的化学问题亟待解决多的化学问题亟待解决 要求化学家更多更积要求化学家更多更积 极的参与极的参与 如果说生物学家致力于阐明生命的如果说生物学家致力于阐明生命的 过程过程 那么化学家的使命就是研究如何调控这那么化学家的使命就是研究如何调控这 一过程一过程 然而然而 化学虽然在化学虽然在20世纪有了飞跃的发展世纪有了飞跃的发展 但面对生命这样复杂的体系但面对生命这样复杂的体系 现有的化学知识现有的化学知识 是不敷应用的是不敷应用的 特别需要新化合物和新结构的特别需要新化合物和新结构的 提供以及复杂体系中分子识别本质的知识和实提供以及复杂体系中分子识别本质的知识和实 践经验的积累践经验的积累 2 迎接挑战迎接挑战 发展化学发展化学21世纪初世纪初 化学化学 发展的几个重要方面可能为 化学反应动态学发展的几个重要方面可能为 化学反应动态学 如如1999年诺贝尔奖授予的飞秒化学等年诺贝尔奖授予的飞秒化学等 分 分 子识别子识别 分子间的弱相互作用和分子聚集体化分子间的弱相互作用和分子聚集体化 学 合成和组装化学等学 合成和组装化学等 以合成为例 以合成为例 从科学发展的角度来看从科学发展的角度来看 合成化学是化学合成化学是化学 学科的核心学科的核心 是未来化学家改造世界是未来化学家改造世界 创造社创造社 会的最有力的手段会的最有力的手段 创造新的合成反应一直是创造新的合成反应一直是 化学界的热点化学界的热点 多年来不少诺贝尔化学奖就是多年来不少诺贝尔化学奖就是 授予了合成化学家授予了合成化学家 最近最近20年年SCI引用次数最引用次数最 多的多的50名化学家中约有名化学家中约有1 3是从事合成化学的是从事合成化学的 200年来化学家不仅发现和合成了众多天年来化学家不仅发现和合成了众多天 然存在的化合物然存在的化合物 同时也人工创造了大量非天同时也人工创造了大量非天 然的化合物然的化合物 使得人类社会所有的化合物已达使得人类社会所有的化合物已达 3700 万种万种 CA2002年年4月收录的化合物数目月收录的化合物数目 其增加速度从其增加速度从20世纪世纪90年代前每年年代前每年60多万种到多万种到 今天几个月今天几个月100万种万种 随着随着21世纪的到来和社会高科技的迅猛发世纪的到来和社会高科技的迅猛发 展展 要求合成化学家能够更多地提供新型结构要求合成化学家能够更多地提供新型结构 和新型功能的化合物和新型功能的化合物 并在此基础上设计和组并在此基础上设计和组 装各种功能的分子聚集体装各种功能的分子聚集体 进而制备高技术传进而制备高技术传 感器感器 仿生智能材料以及分子电子器件仿生智能材料以及分子电子器件 分子分子 开关等新材料开关等新材料 生命科学研究进入到分子水平 需要化学的生命科学研究进入到分子水平 需要化学的 参与 需要合成研究的参与 材料科学 环境 参与 需要合成研究的参与 材料科学 环境 能源乃至信息科学都对化学提出了诸多挑战 能源乃至信息科学都对化学提出了诸多挑战 大科学正在召唤着化学 大科学正在召唤着化学 走出纯化学 进入走出纯化学 进入 大科学 迎接挑战 发展化学 超越前人 闪耀大科学 迎接挑战 发展化学 超越前人 闪耀 辉煌 辉煌 化学亮点化学亮点 通 过 化 学 模 仿 进 行通 过 化 学 模 仿 进 行 性欺骗性欺骗 兰花的颜色与形状不仅与昆虫相似兰花的颜色与形状不仅与昆虫相似 同时同时 也能产生高浓度的类似信息素的混合物也能产生高浓度的类似信息素的混合物 以此吸以此吸 引蜜蜂采蜜引蜜蜂采蜜 达到授粉的目的达到授粉的目的 例如例如 淡兰花是依靠淡兰花是依靠Andrena nigroaenea 雄雄 蜂授粉的蜂授粉的 在这种兰花叶子蜡层上具有与在这种兰花叶子蜡层上具有与 Andrena nigroaenea 雌蜂分泌的性信息素几乎一雌蜂分泌的性信息素几乎一 样的物质组成 包含从样的物质组成 包含从21到到29个碳原子的至少个碳原子的至少14 种烷烃和烯烃的挥发性混合物种烷烃和烯烃的挥发性混合物 其主要成分是其主要成分是 C23H48 C25H52 C27H56 3 3 1 因而雄蜂能被淡因而雄蜂能被淡 兰花吸引兰花吸引 这种现象称为这种现象称为 性欺骗性欺骗 次生代谢与生态学次生代谢与生态学动物动物 动物动物 植物 动物植物 动物 植物 植物植物 植物 植物 微生物相互作用植物 微生物相互作用 二 有机化学发展前沿和研究热点二 有机化学发展前沿和研究热点 在有机化学的发展过程中 逐步形成了有在有机化学的发展过程中 逐步形成了有 机合成化学 天然有机化学 生物有机化学 机合成化学 天然有机化学 生物有机化学 金属与元素有机化学 物理有机化学以及有机金属与元素有机化学 物理有机化学以及有机 物分离分析等领域 这些领域在各自的成长过物分离分析等领域 这些领域在各自的成长过 程中相互渗透 相互依靠并相互促进 为有机程中相互渗透 相互依靠并相互促进 为有机 化学学科的繁荣发展作出重要的贡献 化学学科的繁荣发展作出重要的贡献 有机合成化学有机合成化学 有机合成的基础是各种各样的基元合成反有机合成的基础是各种各样的基元合成反 应 发现新的反应或用新的试剂或技术改善提应 发现新的反应或用新的试剂或技术改善提 高已有反应的效率和选择性是发展有机合成的高已有反应的效率和选择性是发展有机合成的 主要途径 主要途径 高选择性试剂和反应是有机合成化学中最高选择性试剂和反应是有机合成化学中最 主要的研究课题之一 其中包括化学和区域选主要的研究课题之一 其中包括化学和区域选 择控制 立体选择性控制和不对称合成等 择控制 立体选择性控制和不对称合成等 复杂有机分子的全合成一直是最受关注的复杂有机分子的全合成一直是最受关注的 领域 与生物科学相结合 重视分子的功能则领域 与生物科学相结合 重视分子的功能则 是合成化学家的新热点 是合成化学家的新热点 天然有机化学天然有机化学 天然有机化学是研究动植物及生物体内天然有机化学是研究动植物及生物体内 源性生理活性物质的有机化学源性生理活性物质的有机化学 目的是希望目的是希望 发掘有生理活性的天然化合物发掘有生理活性的天然化合物 作为发展新作为发展新 药先导化合物药先导化合物 或者直接用于临床或为农业或者直接用于临床或为农业 生产服务生产服务 天然有机化学是植物化学天然有机化学是植物化学 基础医学基础医学 药物化学药物化学 农业化学的基础农业化学的基础 同时同时 天然有天然有 机化学的研究为有机化合物新的分离分析方机化学的研究为有机化合物新的分离分析方 法法 新的专一性和立体选择性合成方法和立新的专一性和立体选择性合成方法和立 体化学等方面作出了重要贡献体化学等方面作出了重要贡献 生物有机化学生物有机化学 生物有机化学是生物有机化学是20世纪世纪70年代初发展起来的年代初发展起来的 一门生物化学和有机化学之间的边缘学科一门生物化学和有机化学之间的边缘学科 一方一方 面面 应用有机化学的结构理论应用有机化学的结构理论 基团相互作用理基团相互作用理 论论 有机化学反应机理和动力学理论有机化学反应机理和动力学理论 以及应用以及应用 有机化学研究方法有机化学研究方法 在分子水平上研究生物分子在分子水平上研究生物分子 的化学变化和反应规律的化学变化和反应规律 另一方面另一方面 通过模拟生通过模拟生 物体系的化学变化物体系的化学变化 建立有机化学研究新体系建立有机化学研究新体系 反应机理和有机合成新方法等反应机理和有机合成新方法等 元素有机化学和金属有机化学元素有机化学和金属有机化学 元素有机化学是当代有机化学研究中最为元素有机化学是当代有机化学研究中最为 活跃的领域之一活跃的领域之一 有机磷化学有机磷化学 有机氟化学有机氟化学 有机硼化学和有机硅化学是当前元素有机化学有机硼化学和有机硅化学是当前元素有机化学 中四个主要支柱中四个主要支柱 金属有机化学是近代化学前沿领域之一金属有机化学是近代化学前沿领域之一 金属有机化合物的合成金属有机化合物的合成 结构和反应性能的研结构和反应性能的研 究以及新型基元反应的开发和以有机合成为目究以及新型基元反应的开发和以有机合成为目 标的金属有机化学都是金属有机化学的主要研标的金属有机化学都是金属有机化学的主要研 究内容究内容 物理有机化学主要是通过现代物理实验方物理有机化学主要是通过现代物理实验方 法与理论计算方法研究有机分子结构及其物理法与理论计算方法研究有机分子结构及其物理 化学性能之间的关系化学性能之间的关系 阐明有机化学的反应机阐明有机化学的反应机 理理 有机化学反应途径的宏观和微观细节是物有机化学反应途径的宏观和微观细节是物 理有机化学的核心课题之一理有机化学的核心课题之一 而生命科学中的而生命科学中的 物理有机化学研究物理有机化学研究 则包括主 客体化学中的则包括主 客体化学中的 模拟酶催化反应模拟酶催化反应 主体分子提供的微环境可控主体分子提供的微环境可控 制反应制反应 主体分子对客体分子的识别作用以及主体分子对客体分子的识别作用以及 疏水亲脂作用等疏水亲脂作用等 物理有机化学物理有机化学 有机物的分离和分析是人类认识和改造有有机物的分离和分析是人类认识和改造有 机物质世界的重要手段机物质世界的重要手段 在有机化学发展的各在有机化学发展的各 个重要历史阶段以及有机化学在与其他学科相个重要历史阶段以及有机化学在与其他学科相 互渗透的主要界面点上互渗透的主要界面点上 有机物的分离和分析有机物的分离和分析 都起到了关键性的作用都起到了关键性的作用 而分离和分析紧密结而分离和分析紧密结 合是有机分析的一大特色合是有机分析的一大特色 有机化合物的分离和分析有机化合物的分离和分析 药物化学药物化学 农药化学农药化学 有机功能材料有机功能材料 香料化学香料化学 石油化工产品的深度加工和农林石油化工产品的深度加工和农林 牧资源及工农业废弃物的高值化牧资源及工农业废弃物的高值化 新型药物新型药物 新农药新农药 有机功能材料及香料新品种的创制有机功能材料及香料新品种的创制 将带动分子设计将带动分子设计 有机合成有机合成 立体化学立体化学 构构 效关系等研究水平的提高效关系等研究水平的提高 而农副产品加工而农副产品加工 中的废弃物的高值化将会是有机化学的有发中的废弃物的高值化将会是有机化学的有发 展前景的应用领域展前景的应用领域 有机化学中的重要应用研究有机化学中的重要应用研究 参考文献参考文献 1 1 自然科学基金委自然科学基金委 有机化学有机化学 北京北京 科学出版科学出版 社社 1994 2 吴 毓 林吴 毓 林 充 满 希 望 的 新 世 纪充 满 希 望 的 新 世 纪 大 学 化 学大 学 化 学 2000 15 3 3 白春礼白春礼 中国化学的发展与展望中国化学的发展与展望 大学化学大学化学 2000 15 2 4 唐有祺等唐有祺等 化学与社会化学与社会 北京北京 高等教育出版社高等教育出版社 1997 5 杜灿屏等主编杜灿屏等主编 21世纪有机化学发展战略世纪有机化学发展战略 化学化学 工业出版社工业出版社 2002 三 学习有机化学的要求及课程安排三 学习有机化学的要求及课程安排 1 要求要求 1 掌握基本理论 基本知识 基本技能掌握基本理论 基本知识 基本技能 2 提高分析问题 解决问题的能力提高分析问题 解决问题的能力 2 内容内容 1 有机化合物的分类和命名有机化合物的分类和命名 2 近代有机结构理论近代有机结构理论 3 结构结构 结构与性质的关系结构与性质的关系 性质性质 4 有机化学反应的原理和规律有机化学反应的原理和规律 5 各类基本各类基本有机化合物的制备有机化合物的制备 3 本学期教学安排本学期教学安排 4 教学方法教学方法 5 主要教学参考书主要教学参考书 1 冯俊材等编著冯俊材等编著 有机化学习题精解有机化学习题精解 上下册上下册 科科 学出版社学出版社 1999 2 邢其毅等编邢其毅等编 基础有机化学基础有机化学 上下册上下册 第三第三 版版 高等教育出版社高等教育出版社 2005 十一五十一五 国家级国家级 规划教材规划教材 3 裴伟伟编裴伟伟编 基础有机化学习题解析基础有机化学习题解析 高等教育出高等教育出 版社版社 2006 4 裴伟伟等裴伟伟等 有机化学例题与习题有机化学例题与习题 题解及水平题解及水平 测试测试 高等教育出版社高等教育出版社 2002 5 K Peter C Vollhardt 有机化学有机化学 结构与功结构与功 能能 化学工业出版社化学工业出版社 2006 国外名校名著国外名校名著 6 高占先主编高占先主编 有机化学有机化学 第二版第二版 高等教育出高等教育出 版社版社 2007 十一五十一五 国家级规划教材国家级规划教材 7 姜文凤等编姜文凤等编 有机化学学习指导有机化学学习指导 大连理工大学大连理工大学 出版社出版社 2002 9 8 伍越寰主编伍越寰主编 有机化学有机化学 中国科技大学出版社中国科技大学出版社 2002 9 伍越寰编伍越寰编 有机化学习题与解答有机化学习题与解答 中国科技大学中国科技大学 出版社出版社 2003 4 10 G Patrick 有机化学有机化学 影印版影印版 科学出版社科学出版社 2000 8 四四 有机化合物的特性有机化合物的特性 1 结构结构 结构复杂结构复杂 种类繁多种类繁多 数目庞大数目庞大 由碳由碳 原子在周期表中的位置及成键方式所决定原子在周期表中的位置及成键方式所决定 2 性质性质 易燃烧 熔点低 大多难溶于水易燃烧 熔点低 大多难溶于水 易溶于易溶于 非极性或极性小的有机溶剂 反应速率一般较非极性或极性小的有机溶剂 反应速率一般较 小小 通常需要加热或加催化剂通常需要加热或加催化剂 且副反应较多且副反应较多 五五 有机化合物的研究程序有机化合物的研究程序 1 分离提纯分离提纯 分离提纯有机化合物常用的方法有 重结分离提纯有机化合物常用的方法有 重结 晶晶 蒸馏蒸馏 升华升华 萃取和层析等萃取和层析等 2 物理常数的测定物理常数的测定 熔点熔点 沸点沸点 相对密度相对密度 折光率折光率 旋光度等旋光度等 3 元素分析和实验式的确定元素分析和实验式的确定 元素定性分析元素定性分析 元素定量分析元素定量分析 实验式的确定实验式的确定 4 相对分子质量的测定和分子式相对分子质量的测定和分子式 1 物理化学方法物理化学方法蒸气密度法蒸气密度法 冰点降低冰点降低 法法 沸点升高法和渗透压法等沸点升高法和渗透压法等 2 波谱法波谱法质谱法质谱法 5 结构的确定结构的确定 1 官能团分析官能团分析 2 化学降解及合成化学降解及合成 3 近代物理方法近代物理方法质谱质谱 红外光谱红外光谱 紫外紫外 光谱光谱 核磁共振谱核磁共振谱 X射线衍射射线衍射 圆二向色谱圆二向色谱 等等 1 2 共价键与分子结构共价键与分子结构 Covalent Bond and Molecular Structure p6 一一 原子轨道和核外电子排布原子轨道和核外电子排布 二二 共价键理论共价键理论 1 价键理论价键理论 2 杂化轨道理论杂化轨道理论 3 分子轨道理论分子轨道理论 三三 共价键的键参数共价键的键参数 键长键长 键角键角 键能键能 键的极性和键的可极化度键的极性和键的可极化度 键的可极化度键的可极化度 键键 的的 极极 性性 分子偶极矩分子偶极矩 决定有机物性决定有机物性 质的重要因素质的重要因素 共价键的断裂方式共价键的断裂方式 共价键断裂的难易共价键断裂的难易 化合物化合物 反应活性反应活性 物理性质物理性质 二者的区别二者的区别 键的偶极矩键的偶极矩 电负性电负性 分子极性分子极性 有机化学有机化学核心之一核心之一 结构决定性质 结构决定性质 大视野大视野1有机化学的核心有机化学的核心 1 3 分子间作用力与有机物的物理性质分子间作用力与有机物的物理性质 Intermolecular Force and Physical Properties of Organic Compounds 一 分子间作用力分子间作用力 1 取向力取向力极性分子与极性分子极性分子与极性分子 极性分子极性分子 固有偶极固有偶极 分子定向排列分子定向排列 静静 电引力电引力 取向力取向力 分子极性分子极性 分子间距离分子间距离 取向力取向力 2 诱导力诱导力极性分子与极性分子极性分子与极性分子 极性分极性分 子与非极性分子子与非极性分子 极性分子的固有偶极诱导另一个极性分子或极性分子的固有偶极诱导另一个极性分子或 非极性分子产生诱导偶极非极性分子产生诱导偶极 极性分子间极性分子间 极性极性 分子和非极性分子间固有偶极与诱导偶极之间分子和非极性分子间固有偶极与诱导偶极之间 的静电引力的静电引力 诱导力诱导力 分子极性分子极性 被诱导分被诱导分 子的变形性子的变形性 分子间距离分子间距离 诱导力诱导力 3 色散力色散力极性分子与极性分子极性分子与极性分子 极性分极性分 子与非极性分子子与非极性分子 非极性分子与非极性分子非极性分子与非极性分子 分子中的电子及各原子的原子核的运动分子中的电子及各原子的原子核的运动 瞬时偶极瞬时偶极 极性分子间极性分子间 极性分子和非极性分极性分子和非极性分 子间子间 非极性分子间通过瞬时偶极产生的作用非极性分子间通过瞬时偶极产生的作用 力力 色散力色散力 分子的变形性分子的变形性 分子间距离分子间距离 分子间接触表面积分子间接触表面积 色散力色散力 4 氢键氢键 1 定义定义 2 形成氢键的条件形成氢键的条件X H Y R X Y 通常为通常为F O N 特例特例 H C N H C N 丙酮分子中的氧丙酮分子中的氧 原子与氯仿分子中的氢原子之间也有氢键原子与氯仿分子中的氢原子之间也有氢键 3 氢键的特点氢键的特点 方向性和饱和性方向性和饱和性 4 氢键的种类氢键的种类 分子间氢键分子间氢键 例例1 CH3 OHOH CH3 OH CH3 分子内氢键分子内氢键 例例4 邻硝基苯酚 邻硝基苯酚 例例2 CH3 OHOH H OH CH3 OH H O H O N O 例例3 对硝基苯酚 对硝基苯酚 O N OO H O N OO H 二二 分子间作用力与有机化合物的物理性质分子间作用力与有机化合物的物理性质 1 沸点沸点boiling point b p 分子间作用力分子间作用力 形成氢键的能力形成氢键的能力 分子极性分子极性 相对分子质量相对分子质量 分子间距离分子间距离 接触面接触面 b p 例例1 丙醇和丙三醇 丙醇和丙三醇 例例2 溴乙烷和乙烷 溴乙烷和乙烷 例例3 戊烷和己烷 戊烷和己烷 例例4 正戊烷和新戊烷 正戊烷和新戊烷 CH3CH3 CH3CH3 C CH3 H3CCH3 CH3 C CH3 H3CCH3 CH3 2 2 熔点熔点melting point m p 分子间作用力 分子对称性分子间作用力 分子对称性 m p 3 溶解度溶解度solubility s 溶解的实质溶解的实质 用溶质与溶剂分子间作用力取用溶质与溶剂分子间作用力取 代溶质分子间 溶剂分子间作用力 代溶质分子间 溶剂分子间作用力 溶解的原则溶解的原则 相似相溶相似相溶 例例 CH3OH H2O CH3OH CCl4 CH3COOH H2O C12H25COOH H2O 参考文献参考文献 决定物质性质的一种重要因素 决定物质性质的一种重要因素 分子间作用力分子间作用力 大学化学大学化学 1989 4 2 1 4有机化合物的结构与性质有机化合物的结构与性质 一 同分异构现象一 同分异构现象 isomerism 1 同分异构现象同分异构现象 顺反异构顺反异构 几何异构 几何异构 旋光异构旋光异构 光学异构 光学异构 构象异构构象异构 碳链异构碳链异构正丁烷和异丁烷正丁烷和异丁烷 官能团异构官能团异构乙醇和二甲醚乙醇和二甲醚 位置异构位置异构1 丁烯和丁烯和2 丁烯丁烯 互变异构互变异构 构造异构构造异构 立体异构立体异构 同分异构同分异构 2 构造式表示方法构造式表示方法 1 蛛网式 价线式 蛛网式 价线式 异丁烷异丁烷 乙醇乙醇 HH HH H C C O H H H HCHH HHH H C C C H 2 结构简式结构简式 3 键线式键线式 6 甲基甲基 2 庚烯庚烯 CH3CH2OH CH3 3CH CH3 CH CH3 CH3 CH3 CH2 OH CH3CHCHCH2CH2CHCH3 CH3 环丙烷环丙烷 苯苯 呋喃呋喃 CH2 CH2H2C HC HC CH CH CH CH CH CHHC HC O O 二 有机化合物的分类 二 有机化合物的分类 p11 1 按碳链分类按碳链分类 开链化合物 脂肪族化合物 开链化合物 脂肪族化合物 杂环杂环 化合物化合物 2 按官能团分类按官能团分类 见见p11表表1 1 碳环碳环 化合物化合物 环状化合物环状化合物 有机化合物有机化合物 脂环族化合物脂环族化合物 芳香族化合物芳香族化合物 脂杂环化合物脂杂环化合物 芳杂环化合物芳杂环化合物 三三 有机反应试剂有机反应试剂 1 酸和碱酸和碱 p497 酸性和碱性是理解有机化学的基础酸性和碱性是理解有机化学的基础 目前目前 广泛应用于有机化学中的两种酸碱理论是广泛应用于有机化学中的两种酸碱理论是 Lowry Br nsted酸碱理论和酸碱理论和Lewis酸碱理论酸碱理论 1 Lowry Br nsted 酸碱理论酸碱理论 酸酸给出质子给出质子 碱碱接受质子接受质子 质子的授受质子的授受 Lowry Br nsted酸碱酸碱 给出质子的能力给出质子的能力 酸性酸性 接受质子的能力接受质子的能力 碱性碱性 NH4 OH H2O NH3 H2SO4 H2O H3O HSO4 H3O NH3NH4 H2O 强酸强酸强碱强碱弱酸弱酸弱碱弱碱 强酸强酸强碱强碱弱酸弱酸弱碱弱碱 强酸强酸强碱强碱弱酸弱酸弱碱弱碱 酸的强度 酸的强度 H2SO4 H3O NH4 H2O 碱的强度 碱的强度 OH NH3 H2O HSO4 一般来说一般来说 酸的强度主要取决于氢结合的酸的强度主要取决于氢结合的 原子的种类原子的种类 特别是该原子容纳氢离子离开后特别是该原子容纳氢离子离开后 所留下的一对电子的能力所留下的一对电子的能力 这种能力与该原子这种能力与该原子 的电负性和原子半径有关的电负性和原子半径有关 同周期同周期 电负性 电负性 酸性酸性 pKa H CH3 H NH2 H OH H F H SH NH2 OH F SH Cl 同族同族 原子半径 原子半径 酸性酸性 H F H Cl H Br H I H OH Cl Br I OH SH 2 Lewis酸碱理论酸碱理论 酸酸电子对接受体电子对接受体 碱碱电子对给予体电子对给予体 电子对的授受电子对的授受 Lewis酸碱酸碱 接受电子对的能力接受电子对的能力 酸性酸性 给出电子对的能力给出电子对的能力 碱性碱性 Lewis酸酸 能接受电子对的分子 能接受电子对的分子 BF3 AlCl3 SnCl4 ZnCl2 FeCl3等 等 金属离子 金属离子 Li Ag Cu2 等 等 正离子 正离子 R RC O Br NO2 H 等等 Lewis碱碱 含孤对电子的分子 含孤对电子的分子 RNH2 ROH ROR RCHO RCOR RSH等 等 负离子 负离子 X OH RO SH R 等 等 烯烃或芳香族化合物烯烃或芳香族化合物 酸碱反应示例 酸碱反应示例 H2SO4 ROH ROH HSO4 H NH3 BF3H3NBF3 H2SO4 C2H5OC2H5 C2H5OC2H5 HSO4 H 2 亲核试剂和亲电试剂亲核试剂和亲电试剂 1 亲核试剂亲核试剂大多数有机反应都涉及富电大多数有机反应都涉及富电 子分子与缺电子分子之间的反应子分子与缺电子分子之间的反应 反应过程中反应过程中 新键的形成往往发生在富电子分子提供电子对新键的形成往往发生在富电子分子提供电子对 的部位的部位 这种富电子分子或离子称为这种富电子分子或离子称为亲核试亲核试 剂剂 带孤对电子的负离子带孤对电子的负离子 如如OH 含富含富 电子基团的中性分子电子基团的中性分子 如如NH3 2 亲核中心亲核中心亲核试剂亲核试剂分子中富电子的某分子中富电子的某 一个原子或区域称为一个原子或区域称为亲核中心亲核中心 负离子的亲核负离子的亲核 中心是带孤对电子的原子和负电荷中心是带孤对电子的原子和负电荷 中性分子中性分子 的亲核中心通常是带孤对电子的原子的亲核中心通常是带孤对电子的原子 如氮或如氮或 氧氧 或重键或重键 如烯烃如烯烃 炔烃炔烃 芳环芳环 3 亲电试剂亲电试剂缺电子的分子或离子称为缺电子的分子或离子称为亲亲 电试剂电试剂 正离子正离子 如碳正离子如碳正离子 某些中性某些中性 分子分子 如羰基或卤代烷如羰基或卤代烷 4 亲电中心亲电中心亲电试剂亲电试剂分子中缺电子的某分子中缺电子的某 一个原子或区域称为一个原子或区域称为亲电中心亲电中心 正离子的亲电正离子的亲电 中心是带正电的原子中心是带正电的原子 如碳正离子的碳原子如碳正离子的碳原子 中性分子的亲电中心是官能团中缺电子的原子中性分子的亲电中心是官能团中缺电子的原子 如连在氧如连在氧 氮氮 卤素等电负性强的原子上的卤素等电负性强的原子上的 碳或氢原子碳或氢原子 四四 有机化学反应有机化学反应 1 有机反应类型有机反应类型 1 按官能团发生的反应分类按官能团发生的反应分类 反应类型反应类型 官能团官能团 章章 节节 亲电加成亲电加成 烯烃和炔烃烯烃和炔烃 6 亲电取代亲电取代 芳香烃芳香烃 9 亲核加成亲核加成 醛酮醛酮 12 亲核取代亲核取代 卤代烷 醇 卤代烷 醇 羧酸及衍生物羧酸及衍生物 5 10 14 15 消除反应消除反应 卤代烷和醇卤代烷和醇 5 10 还还 原原 烯烃 炔烃 醛酮 腈 烯烃 炔烃 醛酮 腈 羧酸及衍生物羧酸及衍生物 6 9 12 14 15 17 氧氧 化化 烯烃 炔烃 醇 醛烯烃 炔烃 醇 醛 6 10 12 酸酸 碱反应碱反应 羧酸 酚 胺羧酸 酚 胺 14 10 17 2 按共价键的断裂方式分类按共价键的断裂方式分类 自由基型自由基型 free radical reactions 均裂均裂 homolysis 离子型离子型 ionic reactions 异裂异裂 heterolysis A BA B A BA B 离子型离子型 亲电亲电 缺电子试剂 缺电子试剂 亲电试剂亲电试剂 亲亲 近近 进攻进攻 反应物中能供给反应物中能供给 电子的部分电子的部分 亲核中心亲核中心 亲核亲核 富电子试剂 富电子试剂 亲核试剂亲核试剂 亲亲 近近 进攻进攻 反应物中需要电反应物中需要电 子的部分子的部分 亲电中心亲电中心 其结果是在其结果是在亲核试剂亲核试剂的的亲核中心亲核中心和亲电试和亲电试 剂剂的的亲电中心亲电中心之间形成共价键之间形成共价键 协同反应协同反应 concerted reaction 2 有机反应机理有机反应机理 历程历程 1 定义定义描述某个反应的逐步变化过程描述某个反应的逐步变化过程 即反应分几步进行即反应分几步进行 有几个基元反应有几个基元反应 每步每步 反应涉及哪些键的断裂反应涉及哪些键的断裂 哪些键的形成哪些键的形成 哪一哪一 步是决定整个反应速率的反应决速步骤步是决定整个反应速率的反应决速步骤 反应反应 条件在其中起什么作用等一系列细节条件在其中起什么作用等一系列细节 2 共价键断裂和形成过程中电子转移的共价键断裂和形成过程中电子转移的 表示方法表示方法 表示一对电子的转移表示一对电子的转移 共价键的异裂共价键的异裂弯箭头从共价键的中弯箭头从共价键的中 部指向接受电子的原子部指向接受电子的原子 该原子得到该原子得到 一对孤对电子一对孤对电子 形成负离子形成负离子 形成新的共价键形成新的共价键弯箭头从孤对电子弯箭头从孤对电子 指向形成共价键的部位指向形成共价键的部位 其结果形成其结果形成 了新的共价键了新的共价键 表示单电子的转移 表示单电子的转移 共价键的均裂共价键的均裂弯箭头从共价键的弯箭头从共价键的 中部指向接受电子的原子 该原子中部指向接受电子的原子 该原子 得到一个电子 形成自由基 得到一个电子 形成自由基 形成新的共价键形成新的共价键 弯箭头从自由基的弯箭头从自由基的 单电子指向形成共价键的部位单电子指向形成共价键的部位 其其 结果形成了新的共价键结果形成了新的共价键 例如例如 C H3COH O OH C H3CO O H2O HClH Cl ClClCl Cl Cl HCH3ClH CH3 3 类型类型 一步反应一步反应 经过经过过渡态过渡态 transition state 反应物反应物过渡态过渡态生成物生成物 两步反应两步反应 生成生成反应的活性中间体反应的活性中间体 reactive intermediate 反应物反应物中间体中间体生成物生成物 A BCABC AB C A B CD 慢慢 一步反应势能